Le présent travail est une étude expérimentale sur l’interaction entre flamme et turbulence. L’effet de la pression sur le plissement de flammes turbulentes prémélangées est caractérisé à l’aide de diagnostics laser et fil chaud. Dans un premier temps, la caractérisation de la turbulence générée par un système multi-échelles a été réalisée. Il a été démontré que ce dispositif amplifie le taux de turbulence de 40% par rapport à un dispositif mono-grille de maille équivalente. De même, les petites échelles de turbulence sont trouvées expérimentalement plus petites et plus énergétiques pour le système multi-grilles. A partir de ces résultats, l’étude des interactions entre flamme prémélangée et turbulence a été effectuée. En utilisant le diagnostic par tomographie laser, le front de flamme de plusieurs prémélanges a été étudié. En modifiant les conditions de mélange, l’effet des paramètres comme le nombre de Lewis, les conditions de turbulence ou les petites échelles ont pu être observés. Le faible impact des instabilités thermodiffusives sur la courbure du front de flamme et sur la dynamique de la flamme a été démontré. En revanche, l’effet des conditions de turbulence a été démontré comme important sur les caractéristiques du front de flamme. De plus, les résultats obtenus ont montré l’impact majeur de l’échelle de Taylor sur le plissement du front de flamme pour les conditions expérimentales de la présente étude. / The present work is an experimental study on the interactions between flame and turbulence. The pressure effect on the flame front wrinkling is characterised using laser diagnostics and hot wire anemometry. To begin with, the turbulence generated by a multi-grid system is characterised. It is shown that the present system produces a higher turbulence rate by 40% than for an equivalent mesh single-grid system. Moreover, the small turbulence scales sizes are experimentally found smaller with the multi-grid system. From those results, the interactions between premixed flames and turbulence were studied. By using the laser tomography diagnostic, the flame front of several gases premixes was observed. By changing the mixing conditions, the effect of parameters such as the Lewis number, the turbulence conditions and the small scale was observed. The low impact of the thermodiffusives instabilities in our conditions was demonstrated. However, the important effect of the turbulence conditions on the flame front characteristics was observed. Moreover, the present results showed the major impact of the Taylor micro scale on the flame front wrinkling for these study experimental conditions.

Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants. / Recently, the interest for zero-dimensional models has increased. Indeed, these models provide easily the engines thermodynamic behavior and can be coupled with control tools. However, their accuracy must be improved to meet the current technological challenges. In the spark ignition engines, the premixed turbulent flame is modeled as a set of coherent flamelets. This approach requires special treatment near the walls, motivated by the modifications of the flame structure due to boundary layers. The present work proposes 0D modeling of combustion near the walls and in the reaction zone of the flame. To combustion model near the walls, the flame is divided into a free propagation contribution, and an interacting contribution with the walls. Each contribution is divided into a convective zone, wherein the entrainment of fresh gas is described, and a reaction zone, wherein the combustion reaction is modeled. Adding a reaction zone near the walls allows modeling a thermal gradient and a slower combustion reaction near the walls. To model the reaction zone, a flame discretization is made into several reaction zones. An engine operating range is simulated with our models, for quantifying the calibration parameters variability. To do this, models are calibrated on each operating point, by a method of minimization of the quadratic error on the heat released rate. Linear correlations can be found, depending on engines parameters. A good agreement between experimental data and simulation results is obtained with these parameters correlations.

L'épuisement des réserves pétrolières et l'augmentation de la concentration du gaz à effet de serre CO2 sont les deux principaux problèmes connus liés à l'utilisation des carburants fossiles. Les biocarburants apparaissent comme un des moyens permettant à la fois une diminution de la dépendance au pétrole et une réduction de l'impact néfaste des moteurs automobiles sur l'environnement. Les biocarburants sont en effet considérés comme une source d'énergie renouvelable. L'objectif de cette thèse était de développer et valider les modèles cinétiques de combustion des composés oxygénés de biocarburants : l'éthanol, les biocarburants de deuxième-génération des familles du furane (furane, 2-méthylfurane, 2,5-diméthylfurane), du tétrahydrofurane (tétrahydrofurane, 2-méthyltétrahydrofurane) et le tétrahydropyrane, en utilisant les nouvelles données obtenues en flamme laminaire pré-mélangée à basse pression. De 20 à 60 produits ont été quantifiés par chromatographie en phase gazeuse et identifiés par couplage avec la spectrométrie de masse. Les résultats obtenus ont ensuite été utilisés pour analyser les voies de consommation des réactifs et de formation des produits, surtout pour les polluants, dans le but de mieux comprendre la chimie de la combustion de ces biocarburants. Ce rapport comprend 5 chapitres et une conclusion. Le premier chapitre présente une revue bibliographique des travaux antérieurs sur l'oxydation de l'éthanol et des éthers cycliques. Dans le second chapitre, le dispositif expérimental est décrit, en détaillant en particulier les nouveaux développements. Enfin les chapitres 3, 4, 5 présentent les résultats de l'étude de la combustion des composés étudiés / The decrease of petroleum reserves and the increase of concentration of greenhouse gas CO2 are the two major known problems related to the use of fossil fuels. Bio-fuels appear as a means allowing a decrease of the dependence on fossil fuels and a reduction of the harmful impact of engine on the environment. Bio fuels are considered as a source of renewable energy. The aim of this thesis was to develop and validate experimentally the high temperature kinetic models for the combustion of oxygenated compounds of bio-fuels: ethanol, second-generation bio-fuels of families of furan (furan, 2-methylfuran, 2,5-dimethylfuran), of tetrahydrofuran (tetrahydrofuran, 2 methyltetrahydrofuran), and tetrahydropyran, using new data obtained in laminar premixed low-pressure flame. About 20-60 products were quantified by gas chromatography and identified using mass spectrometry. The results obtained were then used to analyze the consumption pathways of fuels and the formation pathways of products, especially for pollutants, in order to better understand the combustion chemistry of these bio-fuels. This thesis report includes 5 chapters and a conclusion. The first chapter presents a review of the major works already published in the literature for the oxidation of ethanol and cyclic ethers. In the second chapter, the experimental setup of laminar premixed flame with the analytical techniques is described, detailing in particular new developments. Eventually, chapters 3, 4, 5 present the experimental and modeling results of the study of the combustion chemistry of the compounds studied

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions polluantes (CO, NOx . . . ) des foyers de combustion de turboréacteurs. L’étude, exclusivement numérique, repose sur des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) basées sur des méthodes de tabulation de la chimie détaillée. L’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) a été étendue à la chimie des oxydes d’azote via la modification de la variable d’avancement. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire (Cabra, Sandia) sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et de champs d’espèces chimiques sont confrontés aux mesures expérimentales. Le rôle du formaldéhyde comme marqueur de la zone réactionnelle est illustré à l’aide de calculs de flammes laminaires puis confirmé par un calcul 3D LES. Une analyse des spécificités de l’implantation de ce type de modèle sur des machines à architecture massivement parallèle est ensuite menée. Diverses modifications de la structure de la table et des méthodes d’interpolation sont réalisées, servant de base à une étude de sensibilité de maillage appliquée à la flamme Sandia D. Les difficultés relatives à la prédiction du NO dans les flammes turbulentes sont exposées : divers modèles de sous-maille sont alors employés et comparés. / This thesis is focused on the prediction capabilities of pollution (CO, NOx especially) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on Large-Eddy Simulation methods coupled with a tabulated detailed chemistry approach. The PCM-FPI model, which stands for Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM, has been revised to take into account nitrogen chemistry through a modification of the progress variable. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Cabra and Sandia flames have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The role of CH2O as a marker of heat release is investigated, first in the frame of laminar premixed flames and then validated through LES runs. The challenges of the implementation of tabulated chemistry methods on massively parallel machines are discussed. Modifications are proposed regarding both the table structure and the interpolation methods leading to a mesh sensitivity review applied to the Sandia D flame. Difficulties arising when dealing with NOx chemistry in turbulent flows are presented : new Sub-Grid Scale models are introduced and investigated.

Les motoristes aéronautiques misent sur le développement de systèmes d’injection de carburant innovants pour réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. L’objectif de la thèse est de contribuer à l’étude expérimentale d’un injecteur « Lean Premixed » par le développement de diagnostics lasers couplant des approches basées sur la diffusion de Mie et l’émission fluorescente de traceurs. Les mesures ont été réalisées sur le banc de combustion haute pression HERON. Une approche novatrice avec l’imagerie de fluorescence du kérosène a permis d’obtenir une quantification du mélange kérosène/air. La structure de flamme a été mesurée simultanément par PLIF-OH et des mesures PIV de vitesse ont complété cette analyse. Un développement préliminaire de la PLIF-CO a également été mené. Les nombreuses mesures permettent de fournir une analyse détaillée des interactions flamme/spray/aérodynamique lors d’une combustion swirlée stabilisée kérosène/air à haute pression. / Aeronautical engine manufacturers are banking on the development of innovative fuel injection systems to reduce fuel consumption and pollutant emissions. The aim of the thesis is to contribute to the experimental investigation of a "Lean Premixed" injector by developing laser diagnostics coupling approaches based on Mie scattering and fluorescent emission of tracers. Measurements are performed at high pressure on the HERON combustion test bench. An innovative approach with fluorescence imaging of kerosene has resulted in the quantification of the kerosene/air mixture. The flame structure was analyzed simultaneously by OH-PLIF and velocity PIV measurements were performed to complete this analysis. A preliminary development of CO-PLIF was also conducted. The numerous measurements provided a detailed analysis of the mechanisms of flame/spray/aerodynamic interactions during a swirl-stabilized kerosene/air combustion at high pressure.

[ES] La actual crisis climática ha instado a la comunidad investigadora y a los fabricantes a brindar soluciones para hacer que el sector del transporte sea más sostenible. De entre las diversas tecnologías propuestas, la combustión a baja temperatura ha sido objeto de una extensa investigación. La combustión premezclada dual-fuel es uno de los conceptos que abordan el compromiso de NOx-hollín en motores de encendido por compresión manteniendo alta eficiencia térmica. Esta combustión hace uso de dos combustibles con diferentes reactividades para mejorar la controlabilidad de este modo de combustión en un amplio rango de funcionamiento. De manera similar a todos los modos de combustión premezclados, esta combustión es sensible a las condiciones de operación y suele estar sujeta a variabilidad cíclica con gradientes de presión significativos. En consecuencia, se requieren estrategias de control avanzadas para garantizar un funcionamiento seguro y preciso del motor. El control en bucle cerrado es una herramienta eficaz para abordar los desafíos que plantea la combustión premezclada dual-fuel. En este tipo de control, para mantener el funcionamiento deseado, las acciones de control se adaptan y corrigen a partir de una retroalimentación con las señales de salida del motor. Esta tesis presenta estrategias de control basadas en la medición de la señal de presión en el cilindro, aplicadas a motores de combustión premezclada dual-fuel. En ella se resuelven diversos aspectos del funcionamiento del motor mediante el diseño de controladores dedicados, haciéndose especial énfasis en analizar e implementar estas soluciones a los diferentes niveles de estratificación de mezcla considerados en estos motores (es decir, totalmente, altamente y parcialmente premezclada). Inicialmente, se diseñan estrategias de control basadas en el procesamiento de la señal de presión en el cilindro y se seleccionan acciones proporcionales-integrales para asegurar el rendimiento deseado del motor sin exceder las limitaciones mecánicas del motor. También se evalúa la técnica extremum seeking para realizar una supervisión de una combustión eficiente y la reducción de emisiones de NOx. Luego se analiza la resonancia de la presión en el cilindro y se implementa un controlador similar a aquel usado para el control de knock para garantizar el funcionamiento seguro del motor. Finalmente, se utilizan modelos matemáticos para diseñar un modelo orientado a control y un observador que tiene como objetivo combinar las señales medidas en el motor para mejorar las capacidades de predicción y diagnóstico en dicha configuración de motor. Los resultados de este trabajo destacan la importancia de considerar el control en bucle cerrado para abordar las limitaciones encontradas en los modos de combustión premezclada. En particular, el uso de la medición de presión en el cilindro muestra la relevancia y el potencial de esta señal para desarrollar estrategias de control complejas y precisas. / [CA] L'actual crisi climàtica ha instat a la comunitat investigadora i als fabricants a brindar solucions per a fer que el sector del transport siga més sostenible. D'entre les diverses tecnologies proposades, la combustió a baixa temperatura ha sigut objecte d'una extensa investigació. La combustió premesclada dual-fuel és un dels conceptes que aborden el compromís de NOx-sutge en motors d'encesa per compressió mantenint alta eficiència tèrmica. Aquesta combustió fa ús de dos combustibles amb diferents reactivitats per a millorar la controlabilitat d'aquest tipus de combustió en un ampli rang de funcionament. De manera similar a tots els tipus de combustió premesclada, aquesta combustió és sensible a les condicions d'operació i sol estar subjecta a variabilitat cíclica amb gradients de pressió significatius. En conseqüència, es requereixen estratègies de control avançades per a garantir un funcionament segur i precís del motor. El control en bucle tancat és una eina eficaç per a abordar els desafiaments que planteja la combustió premesclada dual-fuel. En aquesta mena de control, per a mantindre el funcionament desitjat, les accions de control s'adapten i corregeixen a partir d'una retroalimentació amb els senyals d'eixida del motor. Aquesta tesi presenta estratègies de control basades en el mesurament del senyal de pressió en el cilindre, aplicades a motors de combustió premesclada dual-fuel. En ella es resolen diversos aspectes del funcionament del motor mitjançant el disseny de controladors dedicats, fent-se especial èmfasi a analitzar i implementar aquestes solucions als diferents nivells d'estratificació de mescla considerats en aquests motors (és a dir, totalment, altament i parcialment premesclada). Inicialment, es dissenyen estratègies de control basades en el processament del senyal de pressió en el cilindre i se seleccionen accions proporcionals-integrals per a assegurar el rendiment desitjat del motor sense excedir les limitacions mecàniques del motor. També s'avalua la tècnica extremum seeking per a realitzar una supervisió d'una combustió eficient i la reducció d'emissions de NOx. Després s'analitza la ressonància de la pressió en el cilindre i s'implementa un controlador similar a aquell usat per al control de knock per a garantir el funcionament segur del motor. Finalment, s'utilitzen models matemàtics per a dissenyar un model orientat a control i un observador que té com a objectiu combinar els senyals mesurats en el motor per a millorar les capacitats de predicció i diagnòstic en aquesta configuració de motor. Els resultats d'aquest treball destaquen la importància de considerar el control en bucle tancat per a abordar les limitacions trobades en la combustió premesclada. En particular, l'ús del mesurament de pressió en el cilindre mostra la rellevància i el potencial d'aquest senyal per a desenvolupar estratègies de control complexes i precises. / [EN] The current climate crisis has urged the research community and manufacturers to provide solutions to make the transportation sector cleaner. Among the various technologies proposed, low temperature combustion has undergone extensive investigation. Premixed dual-fuel combustion is one of the concepts addressing the NOx-soot trade-off in compression ignited engines, while maintaining high thermal efficiency. This combustion makes use of two fuels with different reactivities in order to improve the controllability of this combustion mode over a wide range of operation. Similarly to all premixed combustion modes, this combustion is nevertheless sensitive to the operating conditions and traditionally exhibits cycle-to-cycle variability with significant pressure gradients. Consequently, advanced control strategies to ensure a safe and accurate operation of the engine are required. Feedback control is a powerful approach to address the challenges raised by the premixed dual-fuel combustion. By measuring the output signals from the engine, strategies can be developed to adapt and correct the control actions to maintain the desired operation. This thesis presents control strategies, based on the in-cylinder pressure signal measurement, applied to premixed dual-fuel combustion engines. Various objectives were addressed by designing dedicated controllers, where a special emphasis was made towards analyzing and implementing these solutions to the different levels of mixture stratification considered in these engines (i.e., fully, highly and partially premixed). At first, feedback control strategies based on the in-cylinder pressure signal processing were designed. Proportional-integral actions were selected to ensure the desired engine performance without exceeding the mechanical constraints of the engine. Extremum seeking was evaluated to track efficient combustion phasing and NOx emissions reduction. The in-cylinder pressure resonance was then analyzed and a knock-like controller was implemented to ensure safe operation of the engine. Finally, mathematical models were used to design a control-oriented model and a state observer that aimed to leverage the signals measured in the engine to improve the prediction and diagnostic capabilities in such engine configuration. The results from this work highlighted the importance of considering feedback control to address the limitations encountered in premixed combustion modes. Particularly, the use of the in-cylinder pressure measurement showed the relevance and potential of this signal to develop complex and accurate control strategies. / This thesis was financially supported by the Programa Operativo del Fondo Social Europeo (FSE) de la Comunitat Valenciana 2014-2020 through grant ACIF/2018/141. / Barbier, ARS. (2022). In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183274

Diesel fuel is composed of a complex mixture of hundreds of hydrocarbons that vary globally depending on crude oil sources, refining processes, legislative requirements and other factors. In order to simplify the study of this fuel, researchers create surrogate fuels with a much simpler composition, in an attempt to mimic and control the physical and chemical properties of Diesel fuel. The first surrogates were single-component fuels such as n-heptane and n-dodecane. Recent advancements have provided researchers the ability to develop multi-component surrogate fuels and apply them to both analytical and experimental studies. The systematic application of precisely controlled surrogate fuels promises to further enhance our understanding of Diesel combustion, efficiency, emissions and particulates and provide tools for investigating new and alternative engine combustion systems. This thesis employed analytical and experimental methods to develop, validate and study a library of multi-component surrogate Diesel fuels. The first step was to design a surrogate fuel to precisely match the physical and chemical properties of a full-range petroleum Diesel fuel with 50 cetane number and a typical threshold soot index value of 31. The next step was to create a Surrogate Fuel Library with 18 fuels that independently varied two key fuel properties: cetane number and threshold soot index. Within the fuel library cetane number ranged from 35 to 60 at three threshold soot index levels of 17, 31 and 48 (low, mid-range and high). Extensive ASTM fuel property tests showed that good agreement with important physical and chemical properties of petroleum Diesel fuel such as density, viscosity, heating value and distillation curve. An experimental investigation was conducted to evaluate the combustion, emissions, soot and exhaust particles from the petroleum Diesel fuel and the matching surrogate fuel. A fully-instrumented single-cylinder Diesel engine was operated with combustion strategies including Premixed Charge Compression Ignition (PCCI), Low-Temperature Combustion (LTC) and Conventional Diesel Combustion (CDC). For combustion, the ignition delay, low-temperature (first stage) and high temperature (second stage) heat-release matched very well. Gaseous emissions, soot and exhaust particles maintained good agreement as exhaust gas recirculation and combustion phasing were varied. This thesis demonstrated that fully representative Diesel surrogate fuels could be tailored with the proper blending of the following hydrocarbon components: n-hexadecane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonane, decahydronaphthalene and 1-methylnaphthalene. It was also established that the volumetric blending fractions of these four components could be varied to independently control the fuel cetane number and threshold soot index while retaining the combustion, physical and chemical properties of full-range petroleum Diesel fuel. The Surrogate Fuel Library provided by this thesis supplies Diesel engine researchers and designers the ability to analytically and experimentally vary fuel cetane number and threshold soot index. This new capability to independently vary two key fuel properties provides a means to further enhance the understanding of Diesel combustion and design future combustion systems that improve efficiency and emissions. / El combustible diésel está compuesto por cientos de hidrocarburos cuya presencia y proporción varía dependiendo del origen del crudo, del proceso de refinado, de los requerimientos legislativos, y de muchos otros factores. Para evitar las dificultades que produce esta variabilidad y complejidad en su composición, en los estudios sistemáticos, los investigadores suelen trabajar con combustibles de sustitución, mucho más sencillos, pero que reproducen las propiedades químicas y físicas del gasóleo. Los primeros combustibles de sustitución estuvieron formados por un solo componente, como el n-heptano y el n-dodecano. Recientemente se han desarrollado combustibles de sustitución multi-componentes, que se aplican tanto a estudios experimentales como de modelado. La aplicación sistemática de combustibles de sustitución controlados con precisión es una vía prometedora para mejorar la comprensión de la combustión Diesel, su eficiencia, y sus emisiones y proporciona herramientas para la investigación de sistemas de combustión nuevos y alternativos. En esta tesis se han empleado métodos experimentales y de cálculo para desarrollar, estudiar y validar una librería de combustibles de sustitución multi-componentes. El primer combustible de sustitución se diseñó para reproducir con precisión las propiedades físicas y químicas de un gasóleo con número de cetano 50 y un índice de hollín umbral (TSI) de 31.El siguiente paso fue crear una biblioteca de combustibles de sustitución con 18 combustibles que pueden modificar independientemente dos propiedades clave del combustible: índice de cetano y TSI. En la biblioteca de combustibles el número de cetano osciló entre 35 y 60 con tres niveles de TSI iguales a 17, 31 y 48 (bajo, medio y alto rango). Los ensayos según la normativa ASTM demostraron una buena coincidencia con las propiedades del gasóleo como densidad, viscosidad, poder calorífico y curvas de destilación. Para comprobar la validez de la librería, se realizó un estudio experimental comparativo sobre el proceso de combustión, las emisiones gaseosas, hollín y partículas de un gasóleo y de su combustible de sustitución ajustado. El estudio se realizó con un motor monocilíndrico Diesel completamente instrumentado y operando con estrategias de combustión en premezcla parcial (PPCI) y de baja temperatura (LTC), además de la combustión Diesel convencional (CDC). Los parámetros de la combustión como el retraso al encendido y la liberación de calor tanto de baja como de alta temperatura se aproximaron muy bien. Las emisiones de gases, hollín y partículas también fueron similares al variar el nivel de EGR y la fase de la combustión. La tesis demuestra que se pueden encontrar combustibles de sustitución perfectamente representativos de un gasóleo corriente, en base a mezclas apropiadas de n-hexadecano, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonano, decahidronaftaleno y 1-metilnaftaleno. Asimismo, se concluye que variando la proporción de estos cuatro componentes se puede controlar independientemente el número de cetano y el índice de hollín umbral, a la vez que se mantienen las propiedades físico-químicas y de combustión del gasóleo. La librería de combustibles de sustitución definida en esta tesis es una herramienta a disposición de los investigadores para profundizar en el conocimiento de la combustión diésel y avanzar en el diseño de sistemas futuros de combustión con mejor rendimiento y menores emisiones. / El combustible Diesel està compost per centenars d'hidrocarburs, la presència i proporció dels quals varia depenent de l'origen del cru, del procés de refinat, dels requeriments legislatius, i de molts altres factors. Per a evitar les dificultats que produeix aquesta variabilitat i complexitat en la seua composició, en els estudis sistemàtics, els investigadors solen treballar amb combustibles de substitució, molt més senzills, però que reprodueixen les propietats químiques i físiques del gasoil. Els primers combustibles de substitució van estar formats per un sol component, com el n-heptà i el n-dodecà. Recentment s'han desenvolupat combustibles de substitució multi-components, que s'apliquen tant a estudis experimentals com de modelatge. L'aplicació sistemàtica de combustibles de substitució controlats amb precisió és una via prometedora per a millorar la comprensió de la combustió Dièsel, la seua eficiència, i les seues emissions i proporciona eines per a la recerca de sistemes de combustió nous i alternatius. En aquesta tesi s'han emprat mètodes experimentals i de càlcul per a desenvolupar, estudiar i validar una llibreria de combustibles de substitució multi-components. El primer combustible de substitució es va dissenyar per a reproduir amb precisió les propietats físiques i químiques d'un gasoil amb índex de cetà 50 i un índex de sutge límit (TSI) de 31. El següent pas va ser crear una biblioteca de combustibles de substitució amb 18 combustibles que poden modificar independentment dues propietats clau del combustible: índex de cetà i TSI. En la biblioteca de combustibles l'índex de cetá va oscil·lar entre 35 i 60 amb tres nivells de TSI iguals a 17, 31 i 48 (baix, mitjà i alt rang). Els assajos segons la normativa ASTM van demostrar una bona coincidència amb les propietats del gasoil com a densitat, viscositat, poder calorífic i corbes de destil·lació. Per a comprovar la validesa de la llibreria, es va realitzar un estudi experimental comparatiu sobre el procés de combustió, les emissions gasoses, sutge i partícules d'un gasoil i del seu combustible de substitució ajustat. L'estudi es va realitzar amb un motor monocilíndric Dièsel completament instrumentat i operant amb estratègies de combustió en premescla parcial (PPCI) i de baixa temperatura (LTC), a més de la combustió Dièsel convencional (CDC). Els paràmetres de la combustió com el retard a l'encès i l'alliberament de calor tant de baixa com d'alta temperatura es van aproximar molt bé. Les emissions de gasos, sutge i partícules també van ser similars en variar el nivell d'EGR i la fase de la combustió. La tesi demostra que es poden trobar combustibles de substitució perfectament representatius d'un gasoil corrent, sobre la base de mescles apropiades de n-hexadecà, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonà, decahidronaftalé i 1-metilnaftaleno. Així mateix, es conclou que variant la proporció d'aquests quatre components es pot controlar independentment l'índex de cetà i l'índex de sutge límit, alhora que es mantenen les propietats físic-químiques i de combustió del gasoil. La llibreria de combustibles de substitució definida en aquesta tesi és una eina a la disposició dels investigadors per a aprofundir en el coneixement de la combustió Diesel i avançar en el disseny de sistemes futurs de combustió amb millor rendiment i menors emissions. / Szymkowicz, P. (2017). ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF MULTI-COMPONENT SURROGATE DIESEL FUELS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90406

Cette thèse est une contribution à l’étude des flammes de méthane turbulentes non prémélangées en rotation, dites swirlées, avec ou sans enrichissement en oxygène de l’oxydant. L’étude se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes et la dynamique du jet en non réactif et réactif. Notre dispositif expérimental se compose d’un brûleur à swirler coaxial avec injection radiale de méthane au voisinage de la sortie du brûleur. Ce dernier est confiné dans une chambre de combustion. La teneur en oxygène dans l’oxydant, le nombre de swirl géométrique et la richesse globale à l’injection sont les principaux paramètres qui peuvent être précisément contrôlés. La stabilité de la flamme est caractérisée par chimiluminescence OH*. Les émissions polluantes sont mesurées par des analyseurs en ligne via un prélèvement dans les gaz brûlés. La dynamique du jet est caractérisée principalement par PIV stéréoscopique dans un plan longitudinal et plusieurs plans transverses. La diffusion du méthane dans le jet swirlé est abordée qualitativement par fluorescence induite par laser de l’acétone dans un plan. À ce jour, peu de travaux portent sur la caractérisation notamment dynamique de ces flammes swirlées avec enrichissement en O2. La mise en rotation du jet est à l’origine d’une zone de recirculation centrale qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. L’étude des émissions polluantes montre que les régimes de combustion à l’air pour lesquels la flamme est liftée stable sont aussi ceux qui produisent du CO et du CH4 résiduel en des quantités non négligeables. L’enrichissement en oxygène permet alors de convertir les imbrûlés et ce pour de faibles enrichissements tout en améliorant la stabilité de flamme via une diminution de la hauteur d’accrochage et des fluctuations associées comme le confirment de précédentes études. L’augmentation des NOx par la voie thermique a été quantifiée pour des enrichissements en oxygène inférieurs à 30 % vol. L’étude systématique en non réactif et réactif apporte des détails sur la topologie tridimensionnelle du jet swirlé suivant les paramètres de l’étude. L’étude de la décroissance des vitesses et de la décroissance du nombre de swirl dans la direction de l’écoulement permetde mettre en évidence l’effet de la flamme sur le jet swirlé. Un couplage entre l’évolution du taux d’entraînement par la recirculation externe et les émissions polluantes est mis en évidence pour expliquer l’évolution des NOx suivant la richesse globale à l’injection. Nous avons proposé une modélisation des écoulements swirlés qui repose sur les écoulements à vorticité hélicoïdale afin d’identifier les caractéristiques principales des structures hélicoïdales au sein de l’écoulement. / This thesis is a contribution to the study of turbulent non-premixed swirling methane flames with or without oxygen addition in the oxidizer. The study deals with the flame stability, the pollutant emissions and the jet dynamic behaviour in non-reacting and reacting conditions. The burner, operating in a combustion chamber, consists of two concentric tubes with a swirler placed in an annular arrangement, which supplied the oxidant flow (air or oxygen-enriched air). The central pipe delivers fuel (methane) radially just below the burner exit plane. The oxygen content in the oxidizer, the geometric swirl number and the global equivalence ratio are the main parameters, which can be precisely set. OH* chemiluminescence imaging is used to characterize flame stability. Multi-gas analyzers are used to measure pollutant emissions in the exhaust gas. The flow is characterized using stereoscopic PIV measurements in different longitudinal and transverse planes. A qualitative study dealing with the methane diffusion imaging is also conducted by use of acetone planar laser-induced fluorescence. Up to now only few studies have examined the dynamic behavior of this type of swirled flames with oxygen addition. Introducing swirl allows creating a central recirculation zone which favors lean flame stabilization at higher Reynolds numbers. The mapping of the combustion regimes combined with the pollutant emission results show that the stable lifted flames are related to high CO and residual CH4 emission levels in the exhaust gas. Oxygen addition, even by a few percent, allows improving CO and unburned hydrocarbons conversion and increasing flame stability at the same time via a decrease of liftoff heights and the related fluctuations. The NOx emissions increase via the thermal pathway with increasing the oxygen-enrichment rate up to 30 % vol. A comparative study in non-reacting and reacting conditions is conducted to give insight into the tridimensional flow field topology varying the above-mentioned parameters. Mean streamwise velocity and swirl number decay rates show the flame effects on the flow dynamics. A coupling mechanism between the entrainment rate of the surroundings via the external recirculation and the pollutant emissions is proposed to explain the NOx emission trend with the global equivalence ratio. A model is also proposed based on the helical vortices to identify the main features of helix structures in the jet in non-reacting and reacting conditions.

This thesis aims at improving our knowledge on swirl combustors. The work presented here is based on Large Eddy Simulations (LES) coupled to an advanced combustion model: the Conditional Moment Closure (CMC). Numerical predictions have been systematically compared and validated with detailed experimental datasets. In order to analyze further the physics underlying the large numerical datasets, Proper Orthogonal Decomposition (POD) has also been used throughout the thesis. Various aspects of the aerodynamics of swirling flames are investigated, such as precession or vortex formation caused by flow oscillations, as well as various combustion aspects such as localized extinctions and flame lift-off. All the above affect flame stabilization in different ways and are explored through focused simulations. The first study investigates isothermal air flows behind an enclosed bluff body, with the incoming flow being pulsated. These flows have strong similarities to flows found in combustors experiencing self-excited oscillations and can therefore be considered as canonical problems. At high enough forcing frequencies, double ring vortices are shed from the air pipe exit. Various harmonics of the pulsating frequency are observed in the spectra and their relation with the vortex shedding is investigated through POD. The second study explores the structure of the Delft III piloted turbulent non-premixed flame. The simple configuration allows to analyze further key combustion aspects of combustors, with further insights provided on the dynamics of localized extinctions and re-ignition, as well as the pollutants emissions. The third study presents a comprehensive analysis of the aerodynamics of swirl flows based on the TECFLAM confined non-premixed S09c configuration. A periodic component inside the air inlet pipe and around the central bluff body is observed, for both the inert and reactive flows. POD shows that these flow oscillations are due to single and double helical vortices, similar to Precessing Vortex Cores (PVC), that develop inside the air inlet pipe and whose axes rotate around the burner. The combustion process is found to affect the swirl flow aerodynamics. Finally, the fourth study investigates the TECFLAM configuration again, but here attention is given to the flame lift-off evident in experiments and reproduced by the LES-CMC formulation. The stabilization process and the pollutants emission of the flame are investigated in detail.

La compréhension des mécanismes pilotes de la stabilisation des flammes-jet non-prémélangées constitue un point clé dans la caractérisation des modes opératoires des brûleurs industriels fonctionnant en régime de combustion diluée. Ce travail porte son attention sur l'étude expérimentale de l'influence de la dilution du combustible ou de l'air, sur le processus de décrochage et l'émission des polluants d'une flamme-jet non-prémélangée accrochée au brûleur. L'investigation est menée via un grand nombre d'expériences par combinaison des conditions suivantes : i) dioxyde de carbone (CO2), azote (N2), argon (Ar) et vapeur d'eau (H2Ov), sont utilisés comme diluants ; ii) deux configurations de dilution : dilution de l'air ou dilution du combustible ; iii) un couple de vitesses d'air et de combustible couvrant le domaine d'hystérésis de la flamme dans sa totalité, du régime de jet laminaire à celui de jet turbulent. Ceci permet de discriminer l'influence des effets intrinsèques à la nature du diluant de celle de l'aérodynamique des réactants (combustible et oxydant), dans la stabilité de la flamme accrochée. En particulier, les différences comportementales de la réponse de la flamme à la dilution de l'air ou à celle du combustible, sont analysées. Ces deux configurations de dilution diffèrent par deux effets de mélange, indépendants de la réaction, qui jouent un rôle important dans le cas de la dilution du combustible, mais sont négligeables dans le cas de celle de l'air : i) un effet dû à la modification de la fraction de mélange stœchiométrique. ii) un impact mécanique induit par l'apport de matière (diluants) responsable d'une augmentation de la vitesse des réactants. L'étude se divise en trois principales étapes. D'abord la réponse globale de la flamme à la dilution est étudiée via ses limites de décrochage quantifiées par les fractions molaires critiques des diluants dans l'oxydant ou dans le combustible, mesurées au décrochage. Le nombre de Peclet du combustible, Pef, est identifié comme le nombre adimensionnel qui ordonne ces limites de décrochage de manière homothétique pour tous les diluants. Grâce au comportement homothétique deux coefficients d'affinité, Kd,ox pour le cas de la dilution de l'air et Kd,f pour celle du combustible, sont introduits. Ils sont définis comme le rapport entre la limite de décrochage obtenue avec un diluant et celle obtenue avec le CO2 , à Pef = cste. Ceux-ci permettent l'établissement de deux polynômes génériques décrivant les limites de décrochage pour tous les diluants testés et dans toute la gamme des conditions aérodynamiques étudiées. En effet, Kd,ox et Kd,f englobent l'ensemble des effets physico-chimiques d'un diluant (dilution pure, thermique, propriétés de transport, chimie) et ceux des impacts mécaniques, affectant la stabilité de la flamme. Ils permettent de trouver les lois d'auto-similitude au décrochage pour un diluant chimiquement faible quelconque, à partir des résultats obtenus dans ce travail. Ensuite, une étude locale et détaillée du processus de décrochage induit par la dilution est réalisée. Celui-ci se base sur l'approche du bout propagatif décrivant la stabilité de la flamme accrochée comme résultant d'un équilibre à sa base entre la vitesse de l'écoulement et la vitesse de propagation. Afin de démontrer le lien entre cette approche et la stabilité de la flamme, une analyse approfondie des caractéristiques de sa base (localisation, intensité du radical CH* et champ de vitesses) est réalisée. Les résultats confirment la pertinence de l'approche du bout propagatif, comme mécanisme descriptif de la stabilisation de la flamme accrochée en présence de dilution. Enfin, une étude caractérisant aussi bien l'influence de la nature des diluants que celle de la configuration de dilution choisie (air ou combustible), sur l'émission des polluants (suies, NOx et CO), est présentée. / Understanding the main mechanisms piloting non-premixed jet flame stability is an important point in characterizing the operation modes of industrials burners in which dilution is involved. This work puts special emphasis on the experimental study of the influence of air-side and methane-side dilution in the lifting process of attached non-premixed jet flames. The study is based on numerous experiments combining the following conditions : i) carbon dioxide (CO2), nitrogen (N2), argon (Ar) or water vapor (H20v,) used as diluents d ; ii) two diluted configurations : air-side or methane-side dilution ; iii) two air and fuel velocities covering the entire flame hysteresis domain, from the laminar to the turbulent regime. This allows the influence of the intrinsic diluent nature effects to be discriminated from those of the aerodynamics of the reactants (fuel and oxidant), in attached flame stability. In particular, the behavioral differences of the flame response to air-side or to fuel-side dilution are analyzed. These two configurations differ by two mixing effects which are independent of the combustion reaction, and which are significant when the fuel is diluted, but negligible when air is diluted : i) an effect due to the changes in the stoichiometric mixture fraction ; ii) a mechanical impact induced by the addition of matter (diluents) producing an increase in the bulk velocity of the reactants. The study is composed of three parts. First, the global flame response to dilution is analyzed on the basis of the lifting limits defined as the critical molar fractions of the diluents in the fuel or in the oxidant measured at liftoff. The fuel Peclet number, Pef, appears as the dimensionless number which puts these limits in a homothetic order. This homothetic behavior allows the introduction of two affinity parameters, Kd,ox for air-side dilution and Kd,f for fuel-side dilution. They are defined by the ratio of the flame lifting limits calculated with a diluent d and with CO2, at Pef=const. Kd,ox and Kd, allow two generic polynomial laws to be established describing the flame lifting limits for all the diluents and in the whole range of aerodynamic conditions of this study. Indeed, Kd,ox and Kd,f encompass all the diluent effects affecting flame stability (pure dilution, thermal, transport, chemical), to which mechanical impacts are added. These coefficients make it possible to obtain the self-similarity laws of the lifting limits for any chemically-weak diluent, by using the results obtained in this work. Then, a local and detailed study of the flame lifting process induced by dilution is presented. This is based on the flame-leading-edge approach describing flame stability as a result of the balance between the incoming gas velocity of the reactants and the flame propagation velocity at the flame base. In order to show the link between this approach and flame stability, an extensive analysis of the flame-base characteristics (location, CH* emission intensity and velocity field) is carried out. The results attest to the pertinence of the propagative flame-leading-edge, as the mechanism describing the attached flame stability under dilution. Finally, a study concerning the influence of both the diluent nature and the diluted configuration (air or fuel) on pollutant emissions (soot, NOx and CO) is presented.